糯扎渡水電站摻礫土擊實(shí)特性及填筑質(zhì)量檢測方法研究

戴益華，李錫林

（1.華能瀾滄江水電有限公司糯扎渡水電工程建設(shè)管理局，云南 普洱 665005；2.中國水電顧問集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650051）

1 研究內(nèi)容

糯扎渡水電站是瀾滄江中下游河段梯級規(guī)劃的第五級，屬一等大 （1）型工程。擋水建筑物為心墻堆石壩，最大壩高為261.5 m。防滲心墻土料采用由土料場開采的混合土料摻入人工碎石組成的摻礫土料，混合土料允許最大粒徑150 mm，摻礫用碎石最大粒徑120 mm，摻礫量按35%控制。設(shè)計(jì)要求心墻防滲土料全料壓實(shí)度按修正普氏2 690 kJ/m3擊實(shí)功能應(yīng)達(dá)到95%以上。在國內(nèi)首次大規(guī)模采用人工摻礫技術(shù)，無規(guī)范及成熟的經(jīng)驗(yàn)可借鑒。因此，對以下關(guān)系工程質(zhì)量評價(jià)及進(jìn)度方面的內(nèi)容進(jìn)行了現(xiàn)場研究：

（1）摻礫土料的擊實(shí)特性。糯扎渡大壩心墻摻礫土料最大粒徑為150 mm，為全面了解其擊實(shí)特性，研制了直徑為600 mm超大型擊實(shí)儀對摻礫土料進(jìn)行原級配全料擊實(shí)試驗(yàn)研究；同時采用直徑300 mm大型擊實(shí)儀、直徑152 mm小型擊實(shí)儀分別對摻礫土替代法全料及小于20 mm細(xì)料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，比較摻礫土替代法全料與原級配全料擊實(shí)特性的差異，掌握摻礫土細(xì)料的擊實(shí)特性。

（2）心墻壓實(shí)質(zhì)量的檢測方法。壓實(shí)度檢測包括擊實(shí)試驗(yàn)和現(xiàn)場密度試驗(yàn)兩個過程。由于料場混合土料及摻礫碎石含量的變化，摻礫土最大干密度和最優(yōu)含水率有相當(dāng)大的變化范圍。為準(zhǔn)確評價(jià)摻礫土壓實(shí)質(zhì)量，可以通過對全料進(jìn)行三點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)得到全料壓實(shí)度，但該方法存在檢測效率低的問題，實(shí)際難以操作。若考慮某一料倉的混合土經(jīng)開采、摻拌、鋪料等工序后已基本均勻，則影響摻礫土料最大干密度的主要因素是礫石含量，因此只要確定某一施工時段內(nèi)摻礫土料最大干密度與礫石含量的關(guān)系曲線 （預(yù)控線），便可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測干密度及礫石含量計(jì)算全料壓實(shí)度。此外，對礫石土采用細(xì)料壓實(shí)度進(jìn)行質(zhì)量控制也是國內(nèi)外常用的一種方法。目前國內(nèi)對礫質(zhì)土一般以5 mm作為粗細(xì)料的分級粒徑，但實(shí)際檢測時因5 mm以下顆粒不易過篩，因此難以及時得到5 mm以下細(xì)料密度，而對摻礫土料以20 mm為粗細(xì)分級粒徑則可解決細(xì)料的過篩問題。為確定20 mm以下細(xì)料的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，需要對摻礫土全料壓實(shí)度與細(xì)料壓實(shí)度之間的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行研究。

2 摻礫土擊實(shí)特性研究

2.1 試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)主要依據(jù)DL/T 5355—2006《水電水利工程土工試驗(yàn)規(guī)程》及DL/T 5356—2006《水電水利工程粗粒土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。但擊實(shí)筒直徑為152 mm，擊實(shí)功能為595 kJ/m3的小型擊實(shí)試驗(yàn)，水工規(guī)范及國標(biāo)對最大粒徑20 mm土料均未規(guī)定相應(yīng)參數(shù)；擊實(shí)筒直徑為600 mm的超大型擊實(shí)試驗(yàn)，國內(nèi)目前尚無應(yīng)用，故小型和超大型擊實(shí)試驗(yàn)根據(jù)擊實(shí)功能及儀器規(guī)格經(jīng)計(jì)算得出擊實(shí)參數(shù)。試驗(yàn)參數(shù)見表1。對兩組混合土分別以全料摻礫量為0、20%、30%、40%、50%、60%、80%、100%進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2 擊實(shí)特性研究成果

最大干密度、最優(yōu)含水率、擊實(shí)后P20（全料擊后粒徑大于20 mm顆粒）含量與摻礫量關(guān)系曲線見圖1、 2。

圖1 最大干密度與摻礫量關(guān)系曲線

從圖1、2可知：

（1）超大型及大型擊實(shí)時，摻礫土P20含量隨摻礫量增加而大致呈拋物線增加，由于擊實(shí)功能的增加，相同摻礫量下2 690 kJ/m3擊實(shí)功能下的P20含量小于595 kJ/m3擊實(shí)功能的。

（2）在2 690、595 kJ/m3擊實(shí)功能下，超大型、大型擊實(shí)試驗(yàn)摻礫土全料最大干密度隨摻礫量的增加而呈現(xiàn)先增后降的趨勢，且峰值均出現(xiàn)在摻礫量為70%～80%附近；小型擊實(shí)試驗(yàn)摻礫土細(xì)料最大干密度則隨著摻礫量的增加而持續(xù)增加，沒有明顯峰值。

（3）超大型、大型及小型擊實(shí)試驗(yàn)所得最優(yōu)含水率均隨摻礫量的增加而降低。在相同擊實(shí)功能下，超大型和大型擊實(shí)試驗(yàn)最優(yōu)含水率略有差別，但差別不大。

表1 擊實(shí)試驗(yàn)參數(shù)

圖2 最優(yōu)含水率、P20含量與摻礫量關(guān)系曲線

（4）2 690 kJ/m3擊實(shí)功能下，當(dāng)摻礫量小于30%時，超大型擊實(shí)最大干密度小于大型擊實(shí)最大干密度；當(dāng)摻礫量為40%～50%時，超大型擊實(shí)最大干密度與大型擊實(shí)最大干密度差異不大；當(dāng)摻礫量大于60%時，超大型擊實(shí)最大干密度大于大型擊實(shí)最大干密度。595 kJ/m3擊實(shí)功能下，當(dāng)摻礫量小于30%時，超大型擊實(shí)最大干密度與大型擊實(shí)差異不明顯；當(dāng)摻礫量大于40%時，超大型擊實(shí)最大干密度大于大型擊實(shí)最大干密度。相同擊實(shí)功能下隨摻礫量增加，替代法全料的骨架效應(yīng)大于原級配全料的骨架效應(yīng)，因此超大型擊實(shí)最大干密度與大型擊實(shí)最大干密度的差值增大。

（5）當(dāng)摻礫量小于30%時，粗顆粒在土中基本處于懸浮狀態(tài)，此時摻礫土的最大干密度主要取決于混合土擊實(shí)效果。595 kJ/m3擊實(shí)功能下，三種擊實(shí)試驗(yàn)最大干密度及最優(yōu)含水率相差不大；而在2 690 kJ/m3擊實(shí)功能下，則略有差異，初步分析是高擊實(shí)功能下尺寸效應(yīng)更為明顯所致。

3 全料壓實(shí)度預(yù)控線法研究

3.1 試驗(yàn)方法

摻礫土擊實(shí)特性研究表明，2 690 kJ/m3擊實(shí)功能下，當(dāng)摻礫量小于50%時，大型擊實(shí) （替代法全料）最大干密度總體略大于超大型擊實(shí) （原級配全料）最大干密度，因此結(jié)合設(shè)計(jì)要求，用大型擊實(shí)試驗(yàn)進(jìn)行預(yù)控線法研究，同時進(jìn)行了部分小型及超大型擊實(shí)復(fù)核對比試驗(yàn)。主要步驟如下：

（1）選4個備料倉，每個備料倉按開采方向分3個區(qū)，各區(qū)每一層混合土料按15 m×15 m網(wǎng)格布點(diǎn)取樣充分拌和均勻，按摻礫量0、20%、30%、40%、50%，擊實(shí)功能2 690 kJ/m3進(jìn)行大型擊實(shí)試驗(yàn)，得出P20含量及對應(yīng)的全料最大干密度。如此重復(fù)3個區(qū)的擊實(shí)試驗(yàn)，取3組試驗(yàn)結(jié)果的平均值繪制P20含量與全料最大干密度曲線 （預(yù)控線），作為該倉摻礫土料質(zhì)量控制依據(jù)。

（2）每一備料倉的摻礫土料，在碾壓前取全料進(jìn)行3組 （分別對應(yīng)備料倉每1分區(qū)）五點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)，復(fù)核預(yù)控線全料最大干密度的有效性。

（3）現(xiàn)場檢測每一備料倉中的摻礫土料，得到填筑密度、含水率、P20含量，根據(jù)P20含量查預(yù)控線得到全料最大干密度，進(jìn)而求得全料壓實(shí)度。

3.2 試驗(yàn)成果

相同摻礫量下，同倉土料全料最大干密度存在一定差異。4個備料倉預(yù)控線最大干密度與現(xiàn)場復(fù)核最大干密度差值在-0.04～0.02 g/cm3之間?？紤]最大干密度真值為2.09 g/cm3、壓實(shí)度真值為95%時，預(yù)控線全料壓實(shí)度最大誤差約為1.8%。綜合4個試驗(yàn)倉的取樣試驗(yàn)結(jié)果，通過預(yù)控線法得到的全料壓實(shí)度合格率為95.1%，最小值為93.6%，大于設(shè)計(jì)壓實(shí)度的98%，滿足規(guī)范要求。

混合土經(jīng)開采、摻拌、鋪料等多道工序混合后，其土性已基本均勻，同時預(yù)控線法采用3個土樣最大干密度的平均值，從方法上進(jìn)一步減小壓實(shí)度的計(jì)算誤差，其檢測的壓實(shí)度一定程度上能夠反映土料性質(zhì)的變化，可實(shí)現(xiàn)對摻礫土總體壓實(shí)質(zhì)量的控制。另外，預(yù)控線法縮短了現(xiàn)場檢測時間，可以與現(xiàn)場快速施工相適應(yīng)，得到的全料壓實(shí)度直接與設(shè)計(jì)指標(biāo)匹配，但該方法事前需進(jìn)行一系列大型擊實(shí)試驗(yàn)，現(xiàn)場需快速檢測摻礫土含水率，其準(zhǔn)確性主要依賴于混合土的均勻程度。

4 細(xì)料壓實(shí)度控制研究

4.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

在研究摻礫土擊實(shí)特性的基礎(chǔ)上，對5組代表性混合土料進(jìn)行了全料摻礫量為0、20%、30%、40%、50%、60%、100%時，2 690 kJ/m3擊實(shí)功能下的替代法全料大型擊實(shí)試驗(yàn)及相應(yīng)2 690 kJ/m3及595 kJ/m3擊實(shí)功能下的小于20 mm細(xì)料的小型擊實(shí)試驗(yàn)，以進(jìn)一步了解摻礫土細(xì)料干密度及細(xì)料壓實(shí)度的變化規(guī)律。

4.2 試驗(yàn)成果

與一般風(fēng)化礫質(zhì)土不同，摻礫土細(xì)料部分含有風(fēng)化混合土及摻礫碎石兩種性質(zhì)差異很大的土料，在粗料未成骨架時細(xì)料干密度隨摻礫量或P20含量變化而變化，并與全料最大干密度均表現(xiàn)出存在峰值的特點(diǎn)。

雖然摻礫土細(xì)料干密度及細(xì)料最大干密度隨粗粒含量的變化與一般礫石土有所差異，但細(xì)料壓實(shí)度的變化與一般礫石土是類似的。對于大型擊實(shí)試驗(yàn)，2 690 kJ/m3擊實(shí)功能下，當(dāng)P20含量小于35%時 （摻礫量約50%），由于細(xì)料干密度及細(xì)料最大干密度增加趨勢基本一致，細(xì)料壓實(shí)度隨摻礫量增加降低幅度較小。P20含量進(jìn)一步增加后，細(xì)料最大干密度仍在增加，而摻礫土細(xì)料干密度已出現(xiàn)明顯下降，因此壓實(shí)度顯著降低。

各組混合土料性能雖有較大差異，但其對細(xì)料壓實(shí)度影響相對較小，P20含量在15%～35% （對應(yīng)摻礫量約為20%～50%）時，相同P20含量下各組摻礫土細(xì)料壓實(shí)度差異較小，從而以細(xì)料三點(diǎn)擊實(shí)法進(jìn)行壓實(shí)度檢測作為摻礫土填筑日常質(zhì)量控制的方法是可行的。由于細(xì)料在595 kJ/m3擊實(shí)功能工作量小，最優(yōu)含水率與料場基本接近并適合現(xiàn)場摻礫土碾壓，因此細(xì)料擊實(shí)功能宜選用595 kJ/m3。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以得出，相同P20含量下，當(dāng)全料壓實(shí)度為95%時，若以5組細(xì)料壓實(shí)度 （595 kJ/m3擊實(shí)功能）平均值代表該P(yáng)20含量的細(xì)料壓實(shí)度，對應(yīng)全料壓實(shí)度的最大誤差約為1.4%。

4.3 現(xiàn)場填筑質(zhì)量檢測

根據(jù)以上研究成果，確定糯扎渡工程摻礫土填筑質(zhì)量日常控制標(biāo)準(zhǔn)為：小于20 mm細(xì)料595 kJ/m3擊實(shí)功能下壓實(shí)度應(yīng)大于98%，最小值不低于96%，細(xì)料壓實(shí)度98%標(biāo)準(zhǔn)合格率大于90%，細(xì)料壓實(shí)度檢測方法采用三點(diǎn)擊實(shí)法。同時每周進(jìn)行全料2 690 kJ/m3功能大型擊實(shí)壓實(shí)度復(fù)核檢測。

現(xiàn)場檢測結(jié)果表明：摻礫土細(xì)料壓實(shí)度均大于96%，98%標(biāo)準(zhǔn)合格率為96.1%，標(biāo)準(zhǔn)差為1.76%，復(fù)核全料壓實(shí)度除1組略小于95%外，其余均大于95%。摻礫土壓實(shí)度滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

5 結(jié)論

（1）糯扎渡工程通過對摻礫土擊實(shí)特性、全料預(yù)控線法、細(xì)料壓實(shí)度法的研究，全面掌握了摻礫土的擊實(shí)特性。國內(nèi)首次對超大粒徑摻礫土料進(jìn)行全料擊實(shí)試驗(yàn)，首次以20 mm粒徑為粗細(xì)料分級粒徑對摻礫土料進(jìn)行試驗(yàn)研究，研究成果有效指導(dǎo)了工程設(shè)計(jì)與施工，可供其他工程參考借鑒。

（2）全料預(yù)控線檢測方法有效降低現(xiàn)場檢測時間，在土料經(jīng)各工序混合比較均勻的情況下，可以實(shí)現(xiàn)對摻礫土總體壓實(shí)質(zhì)量的控制。

（3）細(xì)料壓實(shí)度在較大程度上反映了摻礫土的滲透及力學(xué)性能。當(dāng)摻礫量在20%～50%時，不同混合土相同P20含量下?lián)降[土全料壓實(shí)度與細(xì)料壓實(shí)度存在較好的對應(yīng)關(guān)系，即全料2 690 kJ/m3擊實(shí)功能下，壓實(shí)度為95%時的土料細(xì)料密實(shí)度與細(xì)料595 kJ/m3擊實(shí)功能下，壓實(shí)度為98%時相當(dāng)。摻礫土采用595 kJ/m3功能細(xì)料三點(diǎn)擊實(shí)進(jìn)行質(zhì)量控制，可減少檢測時間、降低工作強(qiáng)度，提高工作效率，同時結(jié)果與試坑土料相對應(yīng)，準(zhǔn)確度也明顯提高。該方法在糯扎渡工程的成功應(yīng)用為同類工程提供了較好的借鑒。

（4）由于摻礫土細(xì)料壓實(shí)度與摻礫碎石級配及P20含量密切相關(guān)，采用細(xì)料壓實(shí)度控制時，摻礫碎石級配、混合土超徑含量及摻礫土級配的控制顯得更為重要。

［1］ 中國水電顧問集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院.心墻堆石壩摻礫土料填筑壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)及填筑質(zhì)量檢測方法研究報(bào)告［R］.昆明：中國水電顧問集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院，2010.

［2］ 糯扎渡水電工程建設(shè)管理局.糯扎渡水電站樞紐蓄水安全鑒定工程建設(shè)報(bào)告［R］.普洱：糯扎渡水電工程建設(shè)管理局，2011.

［3］ 中國水電顧問集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院.糯扎渡水電站招標(biāo)設(shè)計(jì)階段心墻防滲料碾壓試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.昆明：中國水電顧問集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院，2006.

［4］ 雷澤宏.瀑布溝水電站心墻防滲料工程性質(zhì)研究［J］.四川水力力電， 1994（12）.

［5］ 楊蔭華.土石料壓實(shí)和質(zhì)量控制［M］.北京：水利電力出版社，1992.

［6］ 郭慶國.粗粒土的工程特性及應(yīng)用［M］.鄭州：黃河水利出版社，1998.